[发明专利]基于投影变换的线阵旋转扫描相机成像模型构建方法和标定方法

说明书

本发明提供了一种基于投影变换的线阵旋转扫描相机成像模型构建方法和标定方法，其中成像模型构建方法包括：利用线阵旋转扫描相机和框幅式相机的成像原理、相机旋转平台参数、线阵旋转扫描相机成像平面与其切平面的位置关系确定线阵旋转扫描相机原始成像平面上的像点坐标与以切平面为成像平面的虚拟框幅式图像上对应像点坐标的几何关系，从而确定一种新的线阵旋转扫描相机成像模型；标定方法包括：利用上述成像模型，根据获取的控制点和对应像点坐标，采用直接线性变换方法和非线性优化方法进行线阵旋转扫描相机标定。与传统方法相比，本发明方法简单快速，并具有较高精度；更易于构建核线影像，因此更加适用于三维重建。

技术领域

本发明涉及近景摄影测量技术领域，尤其涉及一种基于投影变换的线阵旋转扫描相机成像模型构建方法和标定方法。

背景技术

线阵旋转扫描相机是一种非传统的一维成像装置，被广泛应用于工业检测和卫星成像领域。与框幅式相机相比，线阵相机一般具有更高的采样速率和空间分辨率。线阵相机在许多近景摄影应用方面具有更好的表现，例如三维场景重建，高速目标的姿态测量。在这些应用中，为了获取线性阵列图像的精确度量信息，相机几何标定是必不可少的步骤。

基于旋转运动平台的动态相机几何标定方法，目前对于此类问题的研究成果比较少。因为基于旋转运动平台的线阵相机通常都只是用于纯粹的成像目的，但同时它在高精度测量，三维重建等方面具有很大的应用潜力。目前，有研究人员根据旋转扫描线阵相机成像特点，建立了适用于旋转平台的线阵相机成像模型，该模型在理想成像模型的基础上考虑了较多误差项，使得模型变得比较复杂，从而增加了模型解算的难度，而且具体的精度有待验证。

由于传统旋转扫描相机成像模型较为复杂，而且模型中参数很多，解算比较复杂，而且结果严重依赖于初始值的选择。如果利用线性变换法不能得到较为精确的初始值，就有可能导致非线性优化过程迭代不收敛或者求出的结果偏差较大，严重影响相机标定的精度。而且传统的标定方法需要有较多的标定数据，而对于高光谱线阵相机来说，由于传感器阵列上的像元数目较少，所以很难一次获取很多的标定点。所以传统的标定方法不太适用于高光谱旋转扫描线阵相机的几何标定，利用传统的标定方法所得出的精度较低的相机参数会严重影响三维重建的效果。

针对上述问题，推导出了一种基于投影变换的线阵旋转扫描相机成像模型，并提出了标定方法，这种方法简单灵活，只需要较少的标定数据就能进行相机标定，并且能得到精度较高的结果。并且此种方法所得出的标定结果能用于后续的三维重建中。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种适用于三维重建的旋转扫描线阵相机成像模型构建方法和标定方法，解决现有的旋转扫描线阵相机成像模型参数较多，解算复杂且标定结果精度不高的问题，因此解决了旋转扫描线阵图像不适合进行三维重建的问题，从而拓宽了旋转扫描线阵图像的应用领域。

为了实现上述发明目的，首先提供了一种基于投影变换的旋转扫描线阵相机成像模型构建方法，该成像模型根据相机旋转平台参数、线阵旋转扫描相机成像平面与其切平面的位置关系确定线阵旋转扫描相机原始成像平面上的像点坐标与以切平面为成像平面的虚拟框幅式图像上对应像点坐标的几何关系，从而将旋转扫描图像投影为框幅式图像，具体包括以下步骤：

步骤1，选择与原始旋转扫描线阵相机圆柱投影面相切的平面作为投影变换的虚拟框幅式成像平面；

步骤2，建立像素坐标系，相机坐标系和世界坐标系；

步骤3，根据柱面与其切平面的几何关系，以及原始线阵图像的尺寸，求出投影变换后，虚拟框幅式图像的尺寸；

步骤4，利用空间点在两个成像平面上的成像关系和成像位置，以及已知的原始线阵图像的像点坐标计算出对应点在投影变换后的虚拟框幅式图像上的像点坐标；

步骤5，根据步骤3中的正投影关系推导出逆投影公式，即将虚拟框幅式图像上的像点坐标经过逆投影得到旋转扫描线阵图像上对应的像点坐标。